学术研究报告：新型翅片结构对三重管换热器中相变材料储热性能的增强研究

第一作者及机构
本研究的通讯作者为Haihu Liu（西安交通大学能源与动力工程学院）和Zhiheng Wang（西安交通大学能源与动力工程学院），合作作者包括Shan Ali Khan（西安交通大学）、Houssam Eddine Abdellatif（阿尔及利亚Skikda大学）、Ahmed Belaadi（阿尔及利亚Skikda大学）及Abdullah Alhushaybari（沙特Taif大学）。研究发表于期刊*International Communications in Heat and Mass Transfer*，2025年卷167期，文章编号109265。

学术背景
本研究属于热能存储（Thermal Energy Storage, TES）与相变材料（Phase Change Materials, PCMs）领域。全球能源危机与环境问题促使可再生能源的高效利用成为研究热点，但太阳能等可再生能源的间歇性特性要求开发高效的储热技术。PCMs因其高潜热密度和等温相变特性成为TES系统的核心材料，但其低导热系数（0.1–0.8 W/m·K）限制了储热效率。三重管换热器（Triplex Tube Heat Exchanger, TTHX）通过增加传热面积提升PCM的熔融效率，而翅片（fins）几何优化是进一步改善性能的关键。

研究目标是通过设计新型半圆弧形翅片结构，探究其对PCM熔融行为的影响，从而提升TTHX的储热性能。

研究流程与方法
1. 模型设计与配置
- 研究对象：以RT58（一种石蜡基PCM）为储热介质，铝为翅片材料，水为传热流体（HTF）。
- 四种翅片构型：
- Case 01：基线设计，采用厚度2 mm的纵向直翅片。
- Case 02：在翅片底部和尖端引入小圆弧（弧长12.31 mm），厚度降至1.5 mm。
- Case 03：延长弧长至20 mm，厚度进一步减至1 mm。
- Case 04：优化设计，采用30 mm半圆弧形翅片，厚度仅0.5 mm，并延长翅片总长度至32 mm。
- 几何参数：通过ANSYS Fluent 2024 R1软件建立二维模型，采用有限体积法（FVM）求解控制方程。

1. 数值模拟与验证

   • 控制方程：包括质量守恒、动量守恒（含Boussinesq假设）和能量守恒方程，引入焓-孔隙度法（Enthalpy-Porosity Method）模拟相变过程，Mushy Zone常数设为10⁵ kg/m³·s。
     
   • 边界条件：内管壁恒温348 K，外壁模拟环境散热（308 K，对流系数12 W/m²·K）。
     
   • 网格独立性验证：比较7223、12,477和17,337网格单元，最终选择12,477单元以保证计算效率与精度。
     
   • 模型验证：与Hussain et al. (2024)的实验数据对比，温度演化误差≤1%。
     

2. 性能评估指标

   • 熔融时间（Melting Time）：通过液相分数（Liquid Fraction）曲线量化。
     
   • 储热密度（Energy Storage Density, SEM）：单位质量PCM的储热量（kJ/kg）。
     
   • 比储热速率（Specific Energy Storage Rate, q̇）：单位时间内单位质量的储热速率（kW/kg）。
     

主要结果
1. 熔融时间优化
- Case 04表现最佳，熔融时间仅3000秒，较基线（Case 01, 10,620秒）缩短71.75%。Case 02和03分别减少3.57%和13.37%。
- 机理：半圆弧形翅片通过扩大传热面积和优化自然对流路径，加速热量渗透。

1. 温度与液相分布

   • 温度场：Case 04在3000秒时实现全域均匀加热，而Case 01仍存在显著未熔区域（图7）。
     
   • 液相分数：Case 04的熔融前沿扩展速度最快，960秒时液相区域已显著大于其他案例（图9）。
     

2. 储热性能提升

   • 储热密度：Case 04达290.6 kJ/kg，高于Case 01的283.22 kJ/kg。
     
   • 比储热速率：Case 04为0.095 kW/kg，是基线（0.026 kW/kg）的3.65倍，表明其高效的能量吸收能力。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 揭示了翅片几何形状对PCM熔融行为的非线性影响，提出半圆弧形翅片通过协同增强导热与对流，显著提升储热效率。
- 为TTHX设计提供了新思路，弥补了传统矩形、Y型翅片的局限性。

1. 应用价值
   
   • 该设计可应用于太阳能储热系统、建筑节能等领域，实现紧凑化、高性能TES设备。
     
   • 铝材翅片的低成本与易加工性，使其具备工业化推广潜力。
     

研究亮点
1. 创新性翅片设计：首次将半圆弧形翅片应用于TTHX，通过弧长、厚度和延伸长度的协同优化，实现71.75%的熔融时间缩减。
2. 多指标验证：综合温度场、液相分数、储热密度和比速率，全面评估性能。
3. 方法论贡献：结合焓-孔隙度法与高精度网格，为PCM相变模拟提供可靠范例。

其他价值
- 研究受沙特Taif大学项目（TU-DSPP-2024-145）和中国国家自然科学基金（12072257）支持，数据可公开获取。
- 作者声明无利益冲突，成果为原创贡献。